虛擬現實三維開發服務公共技術平臺的建構

李玉剛 李佳凝

沈陽柏年信息技術發展有限公司 遼寧 110004

0 引言

虛擬現實技術產生于 20世紀 60年代，虛擬現實技術(Virtual Reality,VR)，這名詞是由美國VPL公司創建人拉尼爾(Jaron Lanier)在1989年提出的，也稱靈境技術或人工環境。這種技術是由計算機產生一種人為虛擬的環境，這種虛擬的環境是通過計算機圖形構成的三維數字模型， 編制到計算機中去產生逼真的“虛擬環境”，從而使得用戶在感知上產生一種沉浸于虛擬環境的感覺。由于虛擬現實技術開發較為專業化，對于一般用戶而言有較大難度，因此，本文探討如何構建虛擬現實三維開發服務公共技術平臺，為一般用戶提供方便快捷的開發平臺。

1 虛擬現實三維開發服務公共技術平臺建設的必要性

虛擬現實是發展到一定水平上的計算機技術與思維科學相結合的產物，它的出現為人類認識世界開辟了一條新途徑。虛擬現實的最大特點是：用戶可以用自然方式與虛擬環境進行交互操作，改變了過去人類除了親身經歷，就只能間接了解環境的模式，從而有效的擴展了自己的認知手段和領域。另外，虛擬現實不僅僅是一個演示媒體，而且還是一個設計工具，它以視覺形式產生一個適人化的多維信息空間，為我們創建和體驗虛擬世界提供了有利的支持。

由于虛擬現實技術的實時三維空間表現能力、人機交互式的操作環境以及給人帶來的身臨其境的感受，它在軍事和航天領域的模擬和訓練中起到了舉足輕重的作用。近年來，隨著計算機硬件軟件技術的發展以及人們越來越認識到它的重要作用，虛擬技術在各行各業都得到了不同程度的發展，并且越來越顯示出廣闊的應用前景。虛擬戰場、虛擬城市、甚至“數字地球”；無一不是虛擬現實技術的應用。虛擬現實技術將使眾多傳統行業和產業發生革命性的改變。

2010年世博會法國館構建了與其實體展館對應的全3D虛擬展館。虛擬現實技術將世博法國館“感性城市”的主題在虛擬空間中展現無疑。全球億萬網民足不出戶就可以身臨其境地享受精彩的3D逼真體驗，實時互動交流。參觀者只需輕點鼠標就能在虛擬展館中360度自由參觀，欣賞奧賽博物館的經典名畫和館中美麗的法式園林。國慶 60周年閱兵場面非常宏偉壯觀，現場的控制準確無誤，虛擬現實技術先是對整個閱兵的過程進行了模擬仿真，對可行性進行驗證，確定各方陣的進行速度、方位、音樂及領導人講話的各時間截點。同時還可以展示從不同視角觀看的效果，比如說從天安門城樓的最高處，從人民大會堂樓頂上往天安門廣場看是什么效果等，也就是說，通過虛擬現實技術就可以事先看到統管全局的彩排效果。

虛擬現實技術的應用必將成為一個重要的方向，在這樣的背景下，作為國家的老工業基地的遼寧，對發展本地區的經濟與科技發展起著重要的作用，但是目前遼寧在虛擬現實技術發展還是比較落后，在沈陽和大連都有從事虛擬現實制作的公司。但是大部分都應用國外的開發平臺，還有小部分采用自己的一些小的核心模塊做底層的開發。開發成本很大，開發效率比較低下。需要一個價格低廉，應用廣泛，開發效率高的平臺。因此，虛擬現實三維動畫開發公共服務平臺建設將填補這一空白。特別是該平臺的建設，一方面會提高國內虛擬軟件開發的整體技術實力，另一方面能夠汲取國外優秀軟件的諸多優點，發展國人虛擬平臺，提高中國在互聯網虛擬的整體地位。

2 虛擬現實三維開發服務公共技術平臺建設的可能性

目前關于虛擬現實開發平臺的研究，已具有成熟、可靠的基礎理論和技術基礎，符合虛擬現實技術發展方向，硬件設計和選擇符合技術現實，本文作者所在單位經過多年來在該領域的專門研究，取得了一批研究成果。

從 2006年開始，作者所在單位與遼寧省教育廳合作，進行遼寧省教育資源信息化資源庫建設項目的研發工作，其中大部份內容都采用虛擬現實技術開發，并且在多個學校進行了應用，得到了廣大師生的一致認可，取得了一定的成果，現任教育部副部長魯昕給予了的高度評價。此外，還與沈陽體育學院合作建設體育旅游虛擬實驗室項目，采用三通道立投影技術結合虛擬現實技術，經過將近一年時間的時間建設完成。本實驗室處于國內同類型系統的領先地位，所以在虛擬現實技術的實現上有較為深厚的研究基礎，該項目研究在技術上是可行的。

本平臺建設的資金籌集本著多方投入的原則，申請沈陽市科技基金投入與申請單位自籌相結合，其中自籌資金部分已經落實，本課題研究工作已經全面展開。從資金來源分布上，資金籌集方案合理、可行，能夠保障該課題的順利研制。本平臺建設的組織管理，成立專門的建設研發項目組，項目經理負責制，由項目經理長對項目全面負責，組成由公司高層領導、高級工程師、專業技術人員參加的科研隊伍，將項目的各部分工作分解并落實到人，在組織管理上和課題研究的運行機制上保證項目研制計劃的按時完成，本平臺建設高效的組織管理能保障該項目的順利完成。

3 虛擬現實三維開發服務公共技術平臺擬解決的關鍵技術

為解決動作的制作工作量大，解決專業模型虛擬現實制作困難的技術難題。改變我國虛擬現實制作周期長等問題，本項目采用2D/3D高效圖形處理技術、VRP技術的嵌入、客戶端技術、分布式計算技術、數據庫技術、動態內核機制技術、網絡數據加密等技術將計算機處理的數字化信息變為人們所能感受的具有各種表現形式的多維信息，并通過視、聽、觸覺等作用于使用者， 對使用者的控制行為做出動態的交互反應。

虛擬現實三維動畫開發公共服務平臺，具體包括：(1)虛擬現實三維動畫建模系統；(2)虛擬現實三維動畫WEB應用系統；(3)虛擬現實三維動畫模型的導入導出系統；(4)虛擬現實三維動畫模型高精度物理碰撞模擬系統；(5)虛擬現實三維動畫編輯器；(6)虛擬現實三維動畫文件發布系統。

從具體的技術實現上來講，以下技術需要進一步加以研究解決：

(1) 動態環境建模技術

虛擬環境的建立是VR技術的核心內容，動態環境建模技術的目的是獲取實際環境的三維數據，并根據應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型。三維數據的獲取可以采用CAD技術(有規則的環境)，而更多的情況則需采用非接觸式的視覺建模技術，兩者的有機結合可以有效地提高數據獲取的效率。

(2) 實時三維圖形生成技術

三維圖形的生成技術已經較為成熟，而這里的關鍵是如何實現“實時”生成。為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新頻率不低于15幀/秒，最好是高于30幀/秒。在不降低圖形的質量和復雜程度的前提下，如何提高刷新頻率將是該技術的研究內容。

(3) 應用系統開發工具

VR應用的關鍵是尋找合適的場合和對象，即如何發揮想象力和創造性。選擇適當的應用對象可以大幅度地提高生產效率、減輕勞動強度，提高產品質量。為了達到這一目的，必須研究VR的開發工具。例如，VR系統開發平臺、分布式VR技術等。

(4) 系統集成技術

由于VR系統中包括大量的感知信息和模型，因此系統的集成技術起著至關重要的作用。集成技術包括信息的同步技術、模型的標定技術、數據轉換技術、數據管理模型、識別與合成技術等等。

(5) 基于WEB的虛擬現實應用

具有獨特的壓縮技術、真實的畫面表現、豐富的互動功能，三維網頁無需下載，只需輸入網址，即可直接在互聯網上瀏覽三維互動內容。

4 虛擬現實三維開發服務公共技術平的技術指標

本軟件平臺基于 WindowsXP操作系統，使用自建工具庫及其他公開工具庫開發。公開工具庫包括 OpenGL Performer和MPI通信系統。該平臺在Windows XP系統上運行，該平臺應該具有如下指標：

(1) 友好的圖形編輯界面；

(2) 高效快捷的工作流程；

(3) 強大的3D圖形處理能力；

(4) 支持導航圖顯示功能；

(5) 高效高精度物理碰撞模擬；

(6) 支持模型的導入導出；

(7) 支持霧效，可增強場景真實度、支持物體尺寸的顯示和修改；

(8) 可導出序列幀，方便后期編輯合成；

(9) 支持動畫相機，可方便錄制各種動畫；

(10) 支持編組，方便整體操作；

(11) 強大的界面編輯器，可靈活設計播放界面；

(12) 支持撤消恢復，避免誤操作；

(13) 可任意編輯或替換啟動界面；

(14) 支持對物體的鏡像、旋轉、縮放和平移等操作；

(15) 支持實體顯示、線框顯示、點顯示等多種顯示方式；

(16) 可隨意更改建筑物高度，改變外立面材質、顏色、貼圖等；

(17) 支持ATX動畫貼圖；

(18) 支持貼圖管理器；

(19) 自帶材質庫，可任意更換物體材質；

(20) 支持軟件抗鋸齒，可生成高精度畫面；

(21) 支持點擊物體觸發動作；

(22) 支持距離觸發動作；

(23) 支持行走相機、飛行相機、繞物旋轉相機等相機；

(24) 作品可設置密碼保護以及日期限制；

(26) 高效、人性化的動作管理器，可自由設置各種動作；

(27) 可直接生成.Exe獨立可執行文件；

(28) 支持導入3dsmax關鍵幀動畫和Reactor剛體動畫；

(29) 擁有模型和貼圖素材庫；

(30) 整合連結外部影像編輯軟件，如Photoshop。

5 結束語

該項目的研制，能夠拉動沈陽市以及遼寧省的虛擬現實內容制作水平，為更多的公司提供服務，同時也能間接帶動更多就業崗位。打造成為一個面向沈陽市乃至遼寧省的虛擬現實三維動畫公共開發服務平臺，進而推進遼寧省虛擬現實產業發展，甚至對中國虛擬現實產業的發展起到促進作用。

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